Sursaut gamma - Définition
Les sursauts gamma (en anglais, gamma-ray bursts, abrégé en GRB) sont des bouffées de photons gamma qui apparaissent aléatoirement dans le ciel. Ils sont situés à de très grandes distances de la Terre, et sont de ce fait les évènements les plus lumineux de l’Univers, après le Big Bang.
Histoire
Les premières détections de sursauts gamma ont eu lieu en 1969 par les satellites militaires américains de la série Vela, chargés de contrôler l’application de l’interdiction des tests atomiques atmosphériques. Ce n’est qu’en 1973 que cette information a été rendue publique, ouvrant un nouveau champ de recherche astronomique. Jusqu’à la fin des années 1980, on n’a su que très peu de choses de ces phénomènes : ils sont imprévisibles, leur éclat est très variable et leur spectres non thermiques. Ce sont les expériences françaises PHOEBUS et américaine BATSE qui ont apporté la première grande avancée majeure : les sursauts gamma se répartissent en deux groupes distincts, des sursauts courts et des sursauts longs. Si la durée des premiers ne dépasse pas 2 secondes (elle est plus typiquement de l’ordre de quelques dixièmes de secondes), les seconds peuvent être observés dans le ciel pendant quelques secondes, voire quelques minutes. Les plus longs ne sont cependant observables que pendant une vingtaine de minutes, ce qui explique la grande difficulté de leur observation. La seconde grande découverte fut le fait de BeppoSAX, un satellite Italo-Hollandais qui observa pour la première fois une émission rémanente aux sursauts gamma le 28 février 1997. C’est grâce à ces observations et aux suivantes (BeppoSAX a observé plusieurs dizaines de sursauts gamma) que notre compréhension du phénomène des sursauts gamma a progressé. Depuis la fin de la mission de BeppoSAX, d’autres observatoires spatiaux tel que Swift (américain) aidés d’observatoires automatiques complètent nos connaissances sur le sujet.
Origine
Les sursauts gamma sont liés aux stades ultimes de l’évolution stellaire et aux trous noirs. Les disparités observées entre les sursauts longs et les sursauts courts ont conduit depuis longtemps à penser que l’astre à l’origine du sursaut gamma, le progéniteur, devait être en fait de deux natures diverses. On pense depuis 1998 que les sursauts longs (les plus étudiés) sont liés à la mort d’étoile massives. Ce fait a été confirmé par l’observation de plusieurs sursauts gamma associés à des supernovae de type Ib/c en 2003. S’il n’est pas encore clair pourquoi toutes les étoiles massives ne produisent pas de sursaut gamma, on est certain en revanche que certaines étoiles massives produisent des sursauts gamma, et que ces sursauts nous sont visibles uniquement parce que nous nous trouvons dans la ligne de visée d’un jet de matière éjectée à des vitesses fantastiques (de l’ordre de 99,995 pour cent de la vitesse de la lumière). C’est le choc de cette matière avec le milieu interstellaire qui produit l’émission rémanente. On suppose que ces jets sont produits par un trou noir en formation lors de la mort de l’étoile massive.
La nature des sursauts courts a été plus élusive pendant longtemps. C’est finalement en 2005, suite à des observations de HETE-2 que la position précise d’un sursaut court a pu être obtenue [1]. Grâce à elle, il a été possible de montrer que les caractéristiques des galaxies contenant les sursauts gamma courts sont très différentes de celles des galaxies contenant les sursauts gamma longs. Ceci a privilégié l’hypothèse que le progéniteur des sursauts courts n’est pas une étoile massive mais une binaire contenant des objets compacts (étoile à neutrons ou trou noir). Ces binaires rayonnent de l’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles et peu à peu se rapprochent. Lorsqu’ils deviennent trop proches l’un de l’autre, les objets compacts fusionnent, donnant naissance à un trou noir. C’est cette naissance qui serait annoncée à travers l’Univers par un bref flash de photons gamma.
Les sursauts gamma pour mieux comprendre la formation des étoiles
Les sursauts gamma longs sont directement liés aux étoiles, et il est possible d’étudier la formation des étoiles à partir de l’étude des sursauts gamma. La luminosité qui les caractérise permet en effet de les détecter jusqu’aux confins de l’Univers. Or, une propriété remarquable de la lumière est sa vitesse finie : les photons que nous recevons des sursauts gamma les plus lointains ont été envoyés il y a plus de 10 milliards d’années (le temps qu’ils ont mis pour nous rejoindre), et nous montrent l’Univers tel qu’il était à ce moment là. Nous pouvons dès lors étudier ces époques révolues et mieux comprendre comment se sont formées les étoiles anciennes, comment elles ont évolué et comment elles ont influencé le contenu de l’Univers.
Les sursauts gamma en détails : le modèle de la boule de feu
On explique le phénomène des sursauts gamma par le modèle de la boule de feu. Dans ce modèle, un progéniteur va expulser de la matière à des vitesses ultra relativistes. Cette matière est composée presque uniquement d’électrons, plus faciles à accélérer, et qui de plus rayonnent plus efficacement leur énergie. L’énergie contenue dans les autres particules (protons) est en quelque sorte piégée, et donc perdue pour produire du rayonnement (on pense toutefois que ces protons accélérés font partie des rayons cosmiques observés par les astrophysiciens).
La boule de feu n’est pas quelque chose d’homogène. Outre le fait qu’elle doive avoir une géométrie (on parle de jets de particules focalisés dans notre direction), l’éjection n’est pas continue mais se fait par spasmes : la " boule de feu " est composée de couches successives, qui voyagent chacune à une vitesse différente. Lorsque deux couches se rejoignent (la plus rapide rattrapant l’autre), il se produit une brusque émission de photons gamma. C’est cette course poursuite des diverses couches de matière qui est responsable de l’émission prompte, avec sa grande variabilité temporelle.
La boule de feu, lors de son expansion, va également balayer le milieu environnant le progéniteur du sursaut, telle une onde de choc. Lors de cette interaction, la boule de feu est freinée par le milieu, et va se mettre à rayonner de l’énergie à toutes les longueurs d’onde. Ce rayonnement est l’émission rémanente.
À ces deux mécanismes se rajoutent d’autres composantes liées à la dynamique des fluides choqués (une onde de choc en retour se propage par exemple dans les parties internes de la boule de feu lors de l’interaction avec le milieu externe) ou à la mécanique quantique (tel que des composantes inverse Compton), qui compliquent l’étude globale du rayonnement de la boule de feu. On peut cependant noter que puisque l’émission rémanente est due à l’environnement du progéniteur, c’est l’étude de cette émission qui est privilégiée pour connaître les conditions régnant autour des étoiles responsables des sursauts gamma.